KR20140045979A - Membrane/electrode assembly for an electrolysis device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양성자-교환막(401,402); 막의 양쪽에 배치된 양극(404) 및 음극(403); 양성자-교환막 내부에 배치된 전도성 촉매(410); 및 촉매(410) 및 음극(403)을 연결하고, 촉매 및 음극 사이의 막의 양성자 저항보다 큰 전기 저항을 갖는 전도성 접합부(411)를 포함하는, 전기분해장치(1)용 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly)(4)에 관한 것이다. The present invention provides proton-exchange membranes 401 and 402; An anode 404 and a cathode 403 disposed on both sides of the film; A conductive catalyst 410 disposed inside the proton-exchange membrane; And a conductive junction 411 connecting the catalyst 410 and the cathode 403 and having an electrical resistance greater than the proton resistance of the membrane between the catalyst and the cathode. Electrode assembly (4).
Description
본 발명은 전기분해에 의한 기체의 제조, 및 특히 물의 저온에서 전기분해를 실시하기 위한 양성자-교환막을 사용하여 수소를 제조하는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to the production of gas by electrolysis, and in particular to an apparatus for producing hydrogen using a proton-exchange membrane for carrying out electrolysis at low temperatures of water.
연료 전지는 미래의 대량 생산 자동차뿐만 아니라 다수의 응용예를 위한 전력 공급 시스템으로 고려된다. 연료 전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전기화학적 장치이다. 수소(H2) 또는 수소 분자가 연료 전지의 연료로 사용된다. 수소 분자는 전지의 전극에서 산화되고, 공기 중의 산소(O2) 또는 산소 분자는 전지의 다른 전극에서 환원된다. 화학 반응은 물을 생성한다. 연료 전지의 큰 장점은 전기를 발생시키는 장소에서 대기 오염물의 방출을 방지한다는 것이다. Fuel cells are considered as power supply systems for many high volume applications in the future, as well as for many applications. Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Hydrogen (H 2 ) or hydrogen molecules are used as fuel in the fuel cell. Hydrogen molecules are oxidized at the electrode of the cell, and oxygen (O 2 ) or oxygen molecules in the air are reduced at the other electrode of the cell. Chemical reactions produce water. A big advantage of fuel cells is that they prevent the release of air pollutants in places that generate electricity.
이와 같은 연료 전지를 개발하는 데에 있어서 주된 난점 중에 하나는 이수소(또는 수소 분자)의 합성 및 공급이다. 지구에서, 수소는 산소(물의 형태), 황(황화수소의 형태) 및 질소(암모니아) 또는 탄소(천연가스 또는 석유와 같은 화석연료)와 조합된 것 외에는 다량으로 존재하지 않는다. 따라서, 수소 분자를 제조하는 것은 열 또는 전기화학적 수단에 의해 물을 분해하여 이와 같은 수소를 획득하기 위해 화석연료의 소비 또는 다량의 저비용 에너지의 가용성을 요구한다. One of the major difficulties in developing such fuel cells is the synthesis and supply of dihydrogen (or hydrogen molecules). On earth, hydrogen is not present in large quantities except in combination with oxygen (in the form of water), sulfur (in the form of hydrogen sulfide) and nitrogen (ammonia) or carbon (fossil fuels such as natural gas or petroleum). Thus, producing hydrogen molecules requires the consumption of fossil fuels or the availability of large amounts of low cost energy in order to decompose water by thermal or electrochemical means to obtain such hydrogen.
물로부터 수소를 제조하는 가장 널리 퍼진 방법은 전기분해 원리의 사용으로 구성된다. 이와 같은 방법을 실시하기 위해, 양성자-교환막(PEM)이 제공되는 전해조(electrolyzer)가 알려졌다. 이와 같은 전해조에서, 양극 및 음극은 양성자-교환막의 양쪽에 고정되고, 물에 의해 접촉된다. 양극 및 음극 사이에 전위차가 가해진다. 따라서, 물의 산화에 의해 산소가 양극에서 제조된다. 양극에서의 산화는 또한 양성자-교환막를 통과하여 음극으로 이동하는 H+ 이온을 발생시키고, 전자는 전기 공급 유닛에 의해 음극으로 되돌려 보내진다. 음극에서, H+ 이온은 음극 수준으로 환원되고 수소 분자를 생성한다. The most prevalent method of producing hydrogen from water consists of the use of the electrolysis principle. In order to carry out this method, an electrolyzer in which a proton-exchange membrane (PEM) is provided is known. In such an electrolytic cell, the positive and negative electrodes are fixed to both sides of the proton-exchange membrane and are contacted by water. A potential difference is applied between the anode and the cathode. Thus, oxygen is produced at the anode by oxidation of water. Oxidation at the anode also generates H + ions that travel through the proton-exchange membrane to the cathode, and electrons are sent back to the cathode by the electricity supply unit. At the cathode, H + ions are reduced to the cathode level and produce hydrogen molecules.
이와 같은 전기분해장치는 원치않는 효과에 직면한다. 따라서, 양성자-교환막은 기체에 대해 완전히 불투과성이 아니다. 양극 및 음극에서 제조된 기체의 일부가 이에 따라 확산에 의해 양성자-교환막을 통과한다. 이는 제조된 기체의 순도의 문제를 일으킬 뿐만 아니라 안정성의 문제를 일으킨다. 산소 내 수소의 비율은 특히 절대적으로 4% 미만으로 유지되어야 하고, 이와 같은 비율은 산소 내 수소의 폭발성의 하한이다. Such electrolysis devices face unwanted effects. Thus, the proton-exchange membrane is not completely impermeable to gas. Part of the gas produced at the anode and cathode is thus passed through the proton-exchange membrane by diffusion. This not only causes a problem of purity of the gas produced but also a problem of stability. The proportion of hydrogen in oxygen must in particular be kept absolutely below 4%, which is the lower explosive limit of hydrogen in oxygen.
기체에 대한 막의 투과성은 양성자-교환막의 두께를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이는 H+ 이온이 통과하기 더 어렵게 함으로써 전기 저항을 증가시키고, 시스템의 성능을 저하한다. The permeability of the membrane to gas can be reduced by increasing the thickness of the proton-exchange membrane. However, this makes H + ions more difficult to pass, thereby increasing the electrical resistance and lowering the performance of the system.
기체에 대한 양성자-교환막의 투과성을 제한하기 위해, 어떠한 개발방법은 양성자-교환막 내부에 촉매 입자를 증착시키는 것을 제안한다. 촉매 입자는 막을 통과하는 수소 분자를 막을 통과하는 산소 분자와 재결합시키려고 한다. 음극에 도달하는 산소 분자 및 양극에 도달하는 수소 분자의 양은 이에 따라 감소된다. In order to limit the permeability of the proton-exchange membrane to gas, some development methods suggest depositing catalyst particles inside the proton-exchange membrane. The catalyst particles attempt to recombine hydrogen molecules passing through the membrane with oxygen molecules passing through the membrane. The amount of oxygen molecules reaching the cathode and hydrogen molecules reaching the anode are thus reduced.
그러나, 촉매 입자의 재결합 반응은 발열반응이고, 에너지의 손실을 일으킨다. 또한, 이와 같은 해결책은 음극에서 생성된 수소 분자의 일부가 그럼에도 불구하고 양성자-교환막에서 손실되기 때문에 산업-규모의 응용을 위해 최적화되지 않는다. 또한, 수소 분자에 대한 양성자-교환막의 투과성은 산소 분자에 대한 이의 투과성보다 크다. 결과적으로, 막에 배치된 촉매 입자에서 산소 분자의 양이 불충분하기 때문에, 수소 분자의 일부가 그럼에 불구하고 양극에 도달한다. However, the recombination reaction of the catalyst particles is exothermic and causes a loss of energy. In addition, this solution is not optimized for industrial-scale applications because some of the hydrogen molecules produced at the cathode are nevertheless lost in the proton-exchange membrane. In addition, the permeability of proton-exchange membranes to hydrogen molecules is greater than its permeability to oxygen molecules. As a result, because the amount of oxygen molecules in the catalyst particles disposed in the membrane is insufficient, some of the hydrogen molecules nevertheless reach the anode.
본 발명은 이와 같은 단점들 중에 하나 이상을 해결하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 발명은 양성자-교환막; 막의 양쪽에 배치된 양극(anode) 및 음극(cathode); 양성자-교환막 내부에 배치된 전도성 촉매(410); 및 촉매 및 음극을 연결하고, 촉매 및 음극 사이의 막의 양성자 저항보다 큰 전기 저항을 갖는 전도성 접합부(conductive junction)(411)를 포함하는, 전기분해장치용 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly)에 관한 것이다. The present invention aims to solve one or more of these disadvantages. Accordingly, the present invention provides a proton-exchange membrane; An anode and a cathode disposed on both sides of the film; A
일 변형예에 따르면, 접합부의 전기 저항은 촉매 및 음극 사이의 양성자 저항보다 20배 이상 크다.According to one variant, the electrical resistance of the junction is at least 20 times greater than the proton resistance between the catalyst and the cathode.
다른 변형예에 따르면, 접합부는 양성자-교환막을 제자리에 유지시키는 주변틀을 형성한다.According to another variant, the junction forms a perimeter that holds the proton-exchange membrane in place.
다른 변형예에 따르면, 접합부는 293.15K에서 20μΩ.cm 초과의 전기 저항률을 갖는 구조부(structural part)를 포함한다. According to another variant, the junction comprises a structural part having an electrical resistivity of greater than 20 μΩcm at 293.15K.
다른 변형예에 따르면, 촉매는 수소 분자를 산화시킬 수 있다.According to another variant, the catalyst can oxidize hydrogen molecules.
다른 변형예에 따르면, 촉매는 전도성 그래파이트 지지체에 고정된 티타늄을 포함하고, 전도성 그래파이트 지지체는 음극에 고정적으로 부착된 양성자-교환막의 제1층 및 양극에 고정적으로 부착된 양성자-교환막의 제2층에 고정된다. According to another variant, the catalyst comprises titanium fixed to the conductive graphite support, the conductive graphite support being the first layer of the proton-exchange membrane fixedly attached to the cathode and the second layer of the proton-exchange membrane fixedly attached to the anode Is fixed to.
다른 변형예에 따르면, 제1양성자-교환층의 양성자 저항은 제2양성자-교환층의 양성자 저항보다 낮다.According to another variant, the proton resistance of the first proton-exchange layer is lower than the proton resistance of the second proton-exchange layer.
다른 변형예에 따르면, 양성자-교환막은 제1양성자-교환층, 제2양성자-교환층 및 제3양성자-교환층을 포함하고, 음극은 제1양성자-교환층에 고정되고, 양극은 제3양성자-교환층에 고정되며, 상기 촉매는 제1양성자-교환층 및 제2양성자-교환층 사이에 배치된 제1촉매이고, 어셈블리는 제2양성자-교환층 및 제3양성자-교환층 사이에 배치된 제2촉매, 및 제2촉매 및 양극을 연결하는 다른 전도성 접합부를 더 포함한다. According to another variant, the proton-exchange membrane comprises a first proton-exchange layer, a second proton-exchange layer and a third proton-exchange layer, the cathode is fixed to the first proton-exchange layer, and the anode is third Fixed to the proton-exchange layer, the catalyst is a first catalyst disposed between the first proton-exchange layer and the second proton-exchange layer, and the assembly is between the second proton-exchange layer and the third proton-exchange layer And a second catalyst disposed and another conductive junction connecting the second catalyst and the anode.
본 발명은 또한 전술된 막-전극 어셈블리, 및 막-전극 어셈블리의 양극 및 음극 사이에 전위차를 가하는 전력 공급장치를 포함하는 물의 전기분해 장치에 관한 것이고, 상기 전위차는 양극과 접촉하는 물을 가수분해하기에 적절하다.The present invention also relates to an electrolysis device of water comprising the membrane-electrode assembly described above and a power supply for applying a potential difference between the anode and the cathode of the membrane-electrode assembly, the potential difference being a hydrolysis of water in contact with the anode. Suitable for
일 변형예에 따르면, 촉매 및 음극 사이의 접합부의 저항값은 촉매의 전압이 0.8V 미만이 되도록 설정된다. According to one variant, the resistance value of the junction between the catalyst and the cathode is set such that the voltage of the catalyst is less than 0.8V.
도 1은 본 발명의 첫번째 구현예에 따라 막-전극 어셈블리를 통합하는 전기분해장치의 단면을 도시적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 첫번째 구현예에 따라 막-전극 어셈블리를 통합하는 전기분해장치의 단면을 도시적으로 나타낸다. 1 shows a cross-section of an electrolysis device incorporating a membrane-electrode assembly according to a first embodiment of the invention.
Figure 2 shows a cross section of an electrolysis device incorporating a membrane-electrode assembly according to a first embodiment of the invention.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 하기의 설명에 의해 분명하게 나타날 것이지만, 이에 제한되지는 않는다. Other features and advantages of the invention will be apparent from, but are not limited to, the following description with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 막-전극 어셈블리의 양성자-교환막 내부에 촉매를 위치시킬 것을 제안한다. 전기 전도성 접합부는 촉매 및 음극 사이의 막의 양성자 저항보다 2 내지 500배 큰 전기 저항에 의해 음극에 촉매를 연결한다. The present invention proposes to place the catalyst inside the proton-exchange membrane of the membrane-electrode assembly. The electrically conductive junction connects the catalyst to the cathode by an electrical resistance of 2 to 500 times greater than the proton resistance of the membrane between the catalyst and the cathode.
본 발명은 양극에 도달하는 수소 분자의 양을 제한하기 위해, 음극으로부터 막을 통해 확산되는 수소 분자를 산화할 수 있게 한다. 본 발명은 또한 수소의 산화로부터 발생하고, 촉매에 의해 수집되는 전자에 의해 양성자를 환원함으로써 음극에서 수소 분자가 재형성될 수 있게 한다. 촉매의 에너지 효율은 이에 따라 향상된다. The present invention makes it possible to oxidize hydrogen molecules that diffuse through the membrane from the cathode to limit the amount of hydrogen molecules reaching the anode. The present invention also results from the oxidation of hydrogen and allows hydrogen molecules to be reformed at the cathode by reducing protons with electrons collected by the catalyst. The energy efficiency of the catalyst is thus improved.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기분해장치(1)의 예의 단면을 나타낸다. 전기분해장치(1)는 전기화학전지(2) 및 전력공급장치(3)를 포함한다. 1 shows a cross section of an example of an
전기화학전지(2)는 막-전극 어셈블리(4), 전력공급 플레이트(203,204), 다공성 집전장치(205,206) 및 밀봉재(201,202)를 포함한다.The
막-전극 어셈블리(4)는 양성자-교환막, 및 상기 양성자-교환막의 양쪽에 고정된 음극 및 양극을 포함한다. 양성자-교환막은 음극(403)이 고정된 제1층(401)을 포함한다. 양성자-교환막은 양극(404)이 고정된 제2층(402)을 포함한다. 촉매층 형태의 촉매 또는 촉매층(410)은 제1층(401) 및 제2층(402) 사이의 양성자-교환막 내부에 배치된다. 막-전극 어셈블리(4)는 이에 따라 음극(403), 제1층(401), 촉매층(410), 제2층(402) 및 양극(404)에 의해 형성된 스택(stack)을 포함한다. 막-전극 어셈블리(4)는 또한 음극(403)을 촉매층에 연결하는 전기 전도성 접합부(411)를 포함한다. The membrane-
다공성 집전장치(205)는 음극(403) 및 전력공급 플레이트(203) 사이에 배치된다. 다공성 집전장치(206)는 양극(404) 및 전력공급 플레이트(204) 사이에 배치된다. The porous
전력공급 플레이트(203)는 도시되지 않았지만 다공성 집전장치(205)에 의해 음극(403)과 연결된 물 공급 도관을 갖는다. 전력공급 플레이트(203)는 또한 도시되지 않았지만 다공성 집전장치(205)에 의해 음극(403)과 연결된 수소 분자 제거용 도관을 갖는다. Although not shown,
전력공급 플레이트(204)는 도시되지 않았지만 다공성 집전장치(206)에 의해 양극(404)과 연결된 물 공급 도관을 갖는다. 전력공급 플레이트(204)는 또한 도시되지 않았지만 다공성 집전장치(206)에 의해 양극(404)과 연결된 수소 분자 제거용 도관을 갖는다.
전력공급장치(3)은 전력공급 플레이트에서 10 내지 40000 A/m2, 유리하게는 500 내지 40000 A/m2의 전류 밀도에 의해 일반적으로 1.3V 내지 3.0V의 DC 전압을 가하도록 설정된다. 이와 같은 전압을 가함으로써, 양극에서의 물의 산화반응은 산소 분자를 생성하고, 이와 동시에 음극에서의 양성자 환원 반응은 수소 분자를 생성한다. The
양극(404)에서의 반응은 하기와 같다:The reaction at
2H2O → 4H+ + 4e- + O2 2H 2 O → 4H + + 4e - +
양극에 의해 생성된 양성자는 양성자-교환막을 통과하여 음극(403)으로 이동한다. 전력공급장치(3)는 양극 반응에 의해 생성된 전자를 음극으로 전도한다. Protons generated by the anode pass through the proton-exchange membrane to the
음극(403)에서의 반응은 이에 따라 하기와 같다:The reaction at
2H+ + 2e- → H2 2H + + 2e - > H 2
양성자-교환막은 양극(404)에서 음극(403)으로 이동하는 양성자를 통과하게 하고, 이와 동시에 전자뿐만 아니라 생성된 산소 분자 및 수소 분자를 차단하는 기능을 갖는다. 그러나, 종래기술의 양성자-교환막 구조는 음극 및 양극에서 생성된 기체의 일부에 의한 확산 현상을 겪는다. The proton-exchange membrane allows a proton to move from the
촉매층(410)의 첫번째 기능은 막을 통과하는 수소 분자를 산화하여 양성자를 형성하는 것이다. 이에 따라 형성된 양성자는 전기장의 효과에 의해 음극(403)으로 되돌아 간다. 양극(404)에 도달하는 수소 분자의 양은 이에 따라 감소된다. 촉매층(410)의 두번째 기능은 막을 통과하는 산소 분자를 환원하여 물을 형성하는 것이다. 이와 같은 환원 반응은 특히 양성자-교환막에 존재하는 양성자를 활동시킨다. The first function of the
촉매층(410)의 세번째 기능은 수소 분자의 산화에 의해 생성되고 산소 분자의 환원에 의해 보상되지 않은 전자를 수집하는 것이다. 이와 같은 목적을 위해 촉매층(410)은 전도성이다. The third function of the
촉매층(410)에 의해 수집된 전자는 전도성 접합부(411)에 의해 음극(403)으로 전도된다. 이와 같은 전자는 음극(403)에서의 양성자의 추가적인 환원을 가능하게 한다. 따라서, 전기분해에 의한 수소 분자의 생성효율은 증가되며, 이와 동시에 양극(404)으로의 수소 분자의 확산은 눈에 띄게 감소된다. Electrons collected by the
유리하게는, 접합부(411)의 전기 저항은 층(410) 및 음극(403) 사이의 막의 양성자 저항보다 2배 이상, 유리하게는 20배 이상, 바람직하게는 50배 이상, 더욱 바람직하게는 100배 이상 크다. 이와 같은 값에 의해, 과잉되게 큰 누설 전류의 생성이 방지된다. Advantageously, the electrical resistance of the
H+/H2 쌍의 SHE 표준 전위(100 kPa 및 298.15 K에서)는 0V이다. O2/H2O 쌍의 SHE 표준 전위는 1.23V이다. The SHE standard potential (at 100 kPa and 298.15 K) of H + / H 2 pairs is 0V. The SHE standard potential of the O 2 / H 2 O pair is 1.23 V.
따라서, 층(410)의 전위는 수소 분자의 산화를 가능하게 하기위해 0보다 커야하고, 산소 분자의 최적의 환원을 보장하기 위해 유리하게는 0.8V(RHE)보다 낮아야한다. Thus, the potential of
종래에 막으로서 사용되는 소재에서 측정된 수소의 투과는 10 mA cm-2의 최대 전류 밀도에 대응된다(두께 및 온도, 압력 등의 조건의 함수로서).The permeation of hydrogen measured in a material conventionally used as a membrane corresponds to a maximum current density of 10 mA cm −2 (as a function of thickness and conditions such as temperature, pressure).
전류밀도값은 접합부(411)를 통과할 수 있는 최대값이다. 실제로, 막을 통과하는 수소의 일부는 층(410)에서 산소와 직접 재결합(환원)하여 물을 형성한다. The current density value is the maximum value that can pass through the
하기와 같은 기호가 사용될 것이다:The following symbols will be used:
Ucat은 음극 전위, Ra는 층(410) 및 음극(403) 사이의 양성자 저항, Rsa는 접합부(411)의 저항, Sa는 접합부(411)의 단면, jjonc는 접합부를 통과하는 전류밀도, Ucou는 층(410)의 전위이다. Ucat is the cathode potential, Ra is the proton resistance between the
Ucou - Ucat = Sa x Rsa x jjonc, 이에 따라 Ucou = Sa x Rsa x jjonc + Ucat.Ucou-Ucat = Sa x Rsa xj jonc , thus Ucou = Sa x Rsa xj jonc + Ucat.
UcouUcou > 0에 대해 > About 0
Ucou는 -Ucat 보다 커야한다(Ucat는 0 또는 음의 값). 이는 Rsa > Ra이면 입증된다. Ucou must be greater than -Ucat (Ucat is zero or negative). This is demonstrated if Rsa> Ra.
UcouUcou < 0.8 V( <0.8 V RHERHE )에 대해)About
Ucat는 0 또는 음의 값이다(양성자의 환원 전위). 따라서, Ucou의 최대값에 대해, 즉 Ucat = 0일 때, Rsa를 계산하여야한다. Ucat is zero or negative (proton reduction potential). Therefore, for the maximum value of Ucou, that is, when Ucat = 0, Rsa must be calculated.
따라서, Ucou = Sa x Rsa x jjonc, 여기서 Rsa = Ucou / jjonc/Sa.Thus, Ucou = Sa x Rsa xj jonc , where Rsa = Ucou / j jonc / Sa.
Ucou = 0.8 V(ERH), Sa = 10 cm2 및 jjonc = 10 mA cm-2일 때, Rsa = 8 Ω를 획득한다. Ucou = 0.8 V (ERH), Sa = 10 cm 2 And when j jonc = 10 mA cm -2 , Rsa = 8 Ω is obtained.
접합부(411) 저항의 최대값은 이에 따라 8 Ω이다. The maximum value of the
이와 같은 경우, 층(410) 및 음극(403) 사이의 막의 양성자 저항은 이의 성질, 이의 두께 및 측정조건(온도, 압력)에 따라, 예를 들어 양극(404)의 단면이 25 cm2일 때 유리하게는 6 내지 32 mΩ이다. In this case, the proton resistance of the film between the
마지막으로, 접합부(411)의 전기 저항은 층(410) 및 음극(403) 사이의 막의 양성자 저항의 2배 이상 크고, 최대 이와 같은 저항보다 1400배 크다(Ra = 6 mΩ일 때).Finally, the electrical resistance of
접합부(411)는 반전도성 금속 옥사이드(예를 들어, SnO2 안티몬 또는 인듐과 결합된 옥사이드) 또는 전도성 폴리머와 같이 높은 저항률을 갖는 소재에 의해 획득될 수 있다. 접합부(411)는 예를 들어 293.15K에서 20 μΩ.cm 초과의 전기 저항률을 갖는 구조요소에 의해 획득될 수 있다. 접합부(411)는 또한 전기 케이블에 의해 층(410) 및 음극(403)에 연결된 저항성 전기구성에 의해 획득될 수 있다. 유리하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 접합부(411)는 음극(403) 또는 제1층(401)을 제자리에 잡아두는 주변틀을 형성한다. The
음극(403)은 유리하게는 탄소에 의해 지지되는 백금 입자에 의해 형성된 전도성 소재를 사용함으로써 형성될 수 있다.
양극(404)은 높은 전위를 견디기 위해 이리듐 옥사이드 또는 루테늄 옥사이드와 같은 귀금속 옥사이드를 사용함으로써 형성될 수 있다. The
층(410)은 유리하게는 백금과 같은 촉매 소재가 고정되는 다공성 전도성 지지체에 의해 형성된다. 이와 같은 층(410)은 양성자가 통과할 수 있게 그 자체가 알려진 방법으로 설정된다. 층(410)은 백금 입자가 고정되는 전도성 탄소 스크린(screen)의 형태로 획득될 수 있다. 층(410)은 또한 백금 입자층에 의해 코팅된 탄소층의 형태로 제조될 수 있다.
층(410)은 전도성 지지체에 촉매 소재를 포함하는 잉크를 이용함으로써 형성될 수 있다. 형성된 층(410)은 고온압축과 같은 적절한 방법에 의해 층(401,402)과 조립될 수 있다.
층(410)은 또한 이와 같은 잉크를 이용함을써 양성자-교환막의 제1층(401) 또는 제2층(402)에 형성될 수 있다. 잉크의 이용은 적절한 방법, 예를 들어 분무, 코팅, 실크스크린 프린팅에 의해 수행될 수 있다. 층(410)의 증착물은 물리증착(physical vapor deposition: PVD) 또는 금속-옥사이트 화학증착(metal-oxide chemical vapor deposition: MOCVD)과 같은 다른 기법에 의해 획득될 수 있다.
층(410)의 두께는 예를 들어 막-전극 어셈블리(4)를 통한 양성자의 확산에 과잉적인 저항을 일으키지 않도록 제한된다. The thickness of
층(401,402)은 양성자-교환막을 위해 통상의 기술자에 의해 보통 선택되는 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어 Nafion 211 또는 Nafion 212라는 품명으로 상용되는 것과 같은 소재가 사용될 수 있다.
수소 분자에 대한 양성자-교환막의 투과성은 산소 분자에 대한 이의 투과성 보다 크다. 목적은 층(410)에서 수소가 산소와 직접적으로 재결합하는 것을 제한하는 것이다. 음극(403)에서의 수소 투과를 개선할 수 있는 접합부(411)의 사용이 바람직할 수 있다. The permeability of proton-exchange membranes to hydrogen molecules is greater than that of oxygen molecules. The purpose is to limit hydrogen directly recombining with oxygen in
층(410)에 존재하는 산소의 양은 층(401,402)의 크기조절에 의해 제한되어야한다. 유리하게는, 층(402)의 두께는 층(401)의 두께보다 크다. The amount of oxygen present in
Nafion 211라는 품명으로 상용되는 소재로 제조된 층(401,402)을 사용함에 있어서, 이와 같은 층(401,402)이 각각 25㎛ 및 75㎛의 두께를 갖는 것이 적절할 수 있다. In using
이와 같은 경우들 중 대부분에서, 층(402)의 양성자 저항보다 작은 양성자 저항을 갖는 층(401)을 사용할 것이다. In most of these cases, one would use
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전기분해장치(1)의 예의 단면을 나타낸다. 도 1의 예와 같이, 전기분해장치(1)는 전기화학전지(2) 및 전력공급장치(3)를 포함한다. 전력공급장치(3)는 전술된 구현예의 것과 동일하고, 더욱 상세히 기재하지 않을 것이다. 2 shows a cross section of an example of an
전기화학전지(2)는 전력공급 플레이트(203,204), 다공성 집전장치(205,206) 및 밀봉재(201,202)를 포함한다. 이들의 구조 및 배치는 도 1을 참고하여 기재된 것과 동일하다. 전기화학전지(2)는 또한 막-전극 어셈블리(4)를 포함한다. The
막-전극 어셈블리(4)는 양성자-교환막뿐만 아니라 상기 양성자-교환막의 양쪽에 고정된 음극 및 양극을 포함한다. 음극(403) 및 양극(404)은 전술된 구현예의 것과 동일하다. The membrane-
양성자-교환막은 음극(403)이 고정된 제1층(421)을 포함한다. 양성자-교환막은 제2층(422)을 포함한다. 촉매층(431) 형태의 제1촉매는 제1층(421) 및 제2층(422) 사이의 양성자-교환막 내부에 배치된다. 막-전극 어셈블리(4)는 음극(403)을 촉매층(431)에 연결하는 전도성 접합부(441)를 더 포함한다. The proton-exchange membrane includes a
양성자-교환막은 양극(404)이 고정된 제3층(423)을 포함한다. 촉매층(432) 형태의 제2촉매는 제2층(422) 및 제3층(423) 사이의 양성자-교환막 내부에 배치된다. 제1촉매층(431) 및 제2촉매층(432)은 이에 따라 제3층(423)으로부터 분리된다. 막-전극 어셈블리(4)는 양극(404)을 촉매층(432)에 연결하는 전도성 접합부(442)를 더 포함한다. The proton-exchange membrane includes a
상기 구현예에서, 양성자-교환막은 음극(403)으로 이동하는 양극(404)의 양성자를 통과하게 하고, 이와 동시에 전자뿐만 아니라 생성된 산소 분자 및 수소 분자를 차단하는 기능을 갖는다. In this embodiment, the proton-exchange membrane has the function of passing protons of the
촉매층(431)은 막을 통과하는 수소 분자를 산화시켜 양성자를 형성하는 기능을 갖는다. 이에 따라 형성된 양성자는 음극(403)으로 되돌아간다. 양극(404)에 도달하는 수소 분자의 양은 이에 따라 감소된다. The
촉매층(431)은 양성자-교환막를 통과하는 수소 분자의 산화에 의해 형성된 전자를 수집하는 기능을 갖는다. 이와 갖은 목적을 위해, 촉매층(431)은 전도성이다. The
촉매층(431)에 의해 수집된 전자는 전도성 접합부(441)에 의해 음극(403)으로 전도된다. 이와 같은 전자는 음극(403)에서 양성자를 추가적으로 환원시킬 수 있게 한다. 따라서, 전기분해에 의한 수소 분자의 생성 효율은 증가되고, 이와 동시에 양극(404)으로의 수소 분자의 확산은 눈에 띄게 감소된다. Electrons collected by the
촉매층(432)은 양극(404)으로부터 오는 전자를 전도하는 기능을 갖는다. 이에 따라, 촉매층(432)은 전도성이다. The
촉매층(432)은 또한 막을 통과하는 산소 분자를 환원하여 물을 형성하는 기능을 갖는다. 이와 같은 환원 반응은 특히 양성자-교환막에 존재하는 양성자, 및 양극(404)에서 산소 분자의 산화에 의해 생성되고, 전도성 접합부(442)에 의해 촉매층(432)으로 전도되는 전자를 활동하게 한다.
이와 같은 구현예에서, 수소 분자 및 산소 분자 사이의 직접 반응은 촉매층(431) 또는 촉매층(432)에서는 이들이 제2층(422)에 의해 분리되기 때문에 거의 존재하지 않는다. 따라서, 양성자-교환막 통해 확선된 수소 분자의 대부분은 촉매층(432)에 도달하기 전에 산화되고, 이와 반대로 양성자-교환막을 통해 확산된 산소 분자의 대부분은 촉매층(431)에 도달하기 전에 환원된다. 양성자-교환막를 통해 확산되는 기체는 이에 따라 이들의 확산 초기에 산화되거나 환원된다. In such an embodiment, a direct reaction between the hydrogen molecules and the oxygen molecules is hardly present in the
촉매층(431,432)은 전술된 구현예의 촉매층(410)과 동일한 구조를 갖는다. 촉매층(410)에 대해 기재된 것과 동등한 제조방법이 촉매층(431,432)에 대해 또한 사용될 수 있다. The catalyst layers 431 and 432 have the same structure as the
접합부(441,442)는 전술된 구현예의 접합부(411) 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
H+/H2 쌍의 SHE 표준 전위(100 kPa 및 298.15 K에서)는 0V이다. O2/H2O 쌍의 SHE 표준 전위는 1.23V이다. The SHE standard potential (at 100 kPa and 298.15 K) of H + / H 2 pairs is 0V. The SHE standard potential of the O 2 / H 2 O pair is 1.23 V.
따라서, 층(431)의 전위(U1)는 수소 분자가 산화될 수 있게 하기 위해 0보다 커야한다. Thus, the potential U1 of
층(432)의 전위(U2)는 산소 분자의 최적의 환원을 보장하기 위해 유리하게는 0.8V(RHE)보다 낮아야한다. The potential U2 of
종래에 막으로서 사용되는 소재에서 측정된 수소의 투과는 10 mA cm-2의 최대 전류 밀도 jjonc H2에 대응된다(두께 및 온도, 압력 등의 조건에 따라). 산의 투과는 이의 반이고, jjonc O2에 대응된다. The permeation of hydrogen, measured in materials conventionally used as membranes, has a maximum current density j jonc of 10 mA cm -2 . Corresponds to H2 (depending on conditions such as thickness, temperature and pressure). Mountain penetration is half of this, j jonc Corresponds to O2 .
전술된 구현예에 대한 접합부의 저항값의 평가와 동일한 종류의 평가가 수행될 수 있다. The same kind of evaluation as the evaluation of the resistance value of the junction for the above-described embodiment can be performed.
Rsa는 접합부(441)의 저항, Ra는 층(410) 및 음극 사이의 양성자 저항, Rb는 층(432) 및 양극 사이의 양성자 저항, Uan은 양극 전위, Ucat은 음극 전위, Sa는 접합부(441)의 단면, Sb는 접합부(442)의 단면으로 정의된다. Rsa is the resistance of the
U1-Ucat = Sa x Rsa x jjonc H2 U1-Ucat = Sa x Rsa xj jonc H2
Uan-U2 = Sb x Rsb x jjonc O2 Uan-U2 = Sb x Rsb xj jonc O2
U1U1 > 0에 대해 > About 0
U1은 -Ucat 보다 커야한다(Ucat는 0 또는 음의 값). 이는 Rsa > Ra이면 입증된다. U1 must be greater than -Ucat (Ucat is zero or negative). This is demonstrated if Rsa> Ra.
유리하게는, 접합부(441)의 전기 저항은 층(421) 및 음극(403) 사이의 막의 양성자 저항보다 크다. 이와 같은 값은 합선이 발생하는 것을 방지하고, 양성자-교환막 내 전위의 열화를 제한한다. Advantageously, the electrical resistance of
U2U2 < 0.8 V( <0.8 V RHERHE )에 대해)About
PEM 전기분해에서 통상적으로 접하는 편광 곡선에 대해, Uan은 약 1.8 V(RHE)이다. For polarization curves commonly encountered in PEM electrolysis, Uan is about 1.8 V (RHE).
따라서, 1.8 V의 양극 전압 및 10 cm2의 Sb 값에 대해, Rsb = (Uan-U2) / jjonc O2 /Sb이고, 이에 따라 Rsb = 24Ω이다. Thus, for an anode voltage of 1.8 V and an Sb value of 10 cm 2 , Rsb = (Uan-U2) / j jonc O2 / Sb, and therefore Rsb = 24Ω.
층(432) 및 양극(404) 사이의 막의 양성자 저항은 이의 성질, 이의 두께 및 측정조건(온도, 압력)에 따라, 예를 들어 음극(403)의 단면이 25 cm2일 때 유리하게는 6 내지 32 mΩ이다. The proton resistance of the film between
마지막으로, 이와 같은 예에서, 접합부(442)의 전기 저항은 층(432) 및 양극(404) 사이의 막의 양성자 저항의 750배 이상 크고, 최대 이와 같은 저항보다 4000배 크다(Rb = 32 mΩ일 때).Finally, in this example, the electrical resistance of
층(421,422,423)은 Nafion 211이라는 품명으로 상용되는 것과 같은 소재로 제조될 수 있다. 여기서, 전술된 구현예와는 달리 중앙층에서 더 이상 수소 및 산소 사이의 직접 재결합이 없기 때문에, 2개의 접합부의 존재는 양쪽을 독립되게 한다. The
전술한 바와 같이 2개의 기체 사이에 순응되어야할 확산 흐름비(층의 두께와 관련하여)는 더 이상 존재하지 않는다. 층(421,422,423)에 대해 각각 25㎛, 25㎛ 및 75㎛의 두께가 제안될 수 있다. As mentioned above, there is no longer a diffusion flow ratio (relative to the thickness of the layer) to be adapted between the two gases. Thicknesses of 25 μm, 25 μm and 75 μm may be proposed for
본 발명은 물의 전기분해용 장치를 참고하여 기재되었다. 그러나, 양성자-교환막을 통한 기체의 확산을 방지할 필요가 있는, 기체의 생성을 야기하는 다른 종류의 전기분해를 수행하기 위해 장치가 설정되는 경우에도 또한 고려될 수 있다. The present invention has been described with reference to an apparatus for the electrolysis of water. However, it can also be taken into account when the apparatus is set up to perform other kinds of electrolysis resulting in the production of gases, which need to prevent the diffusion of gases through the proton-exchange membrane.
Claims (10)
- 양성자-교환막(401,402);
- 상기 막의 양쪽에 배치되는 양극(anode)(404) 및 음극(cathode)(403);
- 양성자-교환막 내부에 배치된 전도성 촉매(410); 및
- 촉매(410) 및 음극(403)을 연결하고, 촉매 및 음극 사이의 막의 양성자 저항보다 큰 전기 저항을 갖는 전도성 접합부(conductive junction)(411);를 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.As a membrane-electrode assembly 4 for an electrolysis device 1,
Proton-exchange membranes 401, 402;
An anode 404 and a cathode 403 disposed on both sides of the film;
A conductive catalyst 410 disposed inside the proton-exchange membrane; And
A conductive junction (411) connecting the catalyst (410) and the cathode (403) and having an electrical resistance greater than the proton resistance of the membrane between the catalyst and the cathode.
상기 접합부의 전기 저항은, 촉매 및 음극 사이의 양성자 저항보다 20배 이상 큰 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.The method of claim 1,
The electrical resistance of the junction is a membrane-electrode assembly, characterized in that more than 20 times greater than the proton resistance between the catalyst and the cathode.
상기 접합부(411)는 양성자-교환막을 제자리에 유지시키는 가장자리 틀을 형성하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.3. The method according to claim 1 or 2,
The junction portion 411 forms an edge frame which holds the proton-exchange membrane in place.
상기 접합부(411)는 293.15K에서 20μΩ.cm 초과의 전기 저항률을 갖는 구조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The junction portion 411 includes a structure having a structure having an electrical resistivity of more than 20 μΩ.cm at 293.15K.
상기 촉매(410)는 수소 분자를 산화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The catalyst (410) is a membrane-electrode assembly, characterized in that capable of oxidizing hydrogen molecules.
상기 촉매(410)는 전도성 그래파이트 지지체에 고정된 티타늄을 포함하고, 상기 전도성 그래파이트 지지체는 음극에 고정적으로 부착된 양성자-교환막의 제1층 및 양극에 고정적으로 부착된 양성자-교환막의 제2층에 고정되는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.6. The method of claim 5,
The catalyst 410 comprises titanium fixed to a conductive graphite support, the conductive graphite support being the first layer of the proton-exchange membrane fixedly attached to the cathode and the second layer of the proton-exchange membrane fixedly attached to the anode Membrane-electrode assembly, characterized in that fixed.
제1 양성자-교환층의 양성자 저항은 제2 양성자-교환층의 양성자 저항보다 낮은 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.The method according to claim 6,
The proton resistance of the first proton-exchange layer is lower than the proton resistance of the second proton-exchange layer.
상기 양성자-교환막은 제1 양성자-교환층, 제2 양성자-교환층 및 제3 양성자-교환층을 포함하며, 상기 음극(403)은 제1 양성자-교환층(421)에 고정되고, 상기 양극(404)은 제3 양성자-교환층(423)에 고정되며, 상기 촉매는 제1 양성자-교환층 및 제2 양성자-교환층 사이에 배치된 제1 촉매(431)이고,
- 상기 제2 양성자-교환층 및 제3양성자-교환층 사이에 배치된 제2 촉매(432);
- 상기 제2 촉매(432) 및 양극(404)을 연결하는 다른 전도성 접합부(442);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.The method according to any one of claims 1 to 5,
The proton-exchange membrane includes a first proton-exchange layer, a second proton-exchange layer, and a third proton-exchange layer, wherein the cathode 403 is fixed to the first proton-exchange layer 421, and the anode 404 is fixed to a third proton-exchange layer 423, the catalyst being a first catalyst 431 disposed between the first proton-exchange layer and the second proton-exchange layer,
A second catalyst 432 disposed between the second proton-exchange layer and the third proton-exchange layer;
And another conductive junction (442) connecting said second catalyst (432) and said anode (404).
촉매 및 음극 사이의 접합부의 저항값은 상기 촉매의 전압이 0.8V(RHE) 미만이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 물의 전기분해 장치.10. The method of claim 9,
The resistance value of the junction between the catalyst and the cathode is set so that the voltage of the catalyst is less than 0.8V (RHE).
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